تأثير زيمان هو ظاهرة انشقاق خطوط الطيف لمصدر تحت تأثير مجال مغناطيسي ثابت إلى عدة خطوط، وهي تسمية ترجع إلى العالم الهولندي زيمان الذي اكتشف هذه الظاهرة في أواخر القرن التاسع عشر.وهذا التأثير مشابه لتأثير آخر يسمى تأثير شتارك وهو انشقاق خطوط الطيف إلي عدة خطوط في حالة تعرض المصدر لمجال كهربائ. ويستخدم تأثير زيمان في تطبيقات عديدة في مطياف الرنين المغناطيسي، ومطياف رنين الدوران المغزلي للإلكترون، وفي التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وكثيرا ما يستخدم تأثير زيمان للتعيين الدقيق للأطياف الامتصاصية للعناصر. وفي حالة قياس خطوط الطيف الامتصاصي، يسمى بتأثير زيمان العكسي.
توجد في الذرات توزيعات مختلفة للإلكترونات لها طاقة محددة واحدة. لذلك تظهر عدة قفزات للإلكترونات من مدار علوي حول الذرة إلى مار سفلي، تظهر متماثلة علي هيئة خط واحد في الطيف. وفي وجود مجال مغناطيسي خارجي تنشق تلك التوزيعات، حيث يتآثر كل منها مع المجال المغناطيسي بطريقة مختلفة بحسب الأعداد الكمومية لهذه التوزيعات، ذلك لأن الأعداد الكمومية المختلفة تُعبر عن حالات مختلفة لطاقتها وهي فروقا طفيفة. والنتيجة أنه بينما كانت توجد عدة توزيعات بنفس الطاقة، نجد الآن عدة من مستويات الطاقة المختلفة قليلا ً تحت وطأة المجال المغناطيسي، وهي تؤدي إلي انشقاق الخط الطيفي الواحد إلى عدة خطوط.
وطبقا للرسم التوضيحي، تتسم التوزيعات a, b, c بحالة واحدة للطاقة، كا ينطبق هذا علي التوزيعات d, e, f التي توجد في حالة طاقة محددة منخفضة عن حالة a, b, c. وفي وجود المجال المغناطيسي تنشق مستويات الطاقة. وينتج عن ذلك انه بينما كان يظهر لنا الانتقال من a, b, c إلى d, e, f في خط واحد، يصبح لدينا عدة خطوط بسبب وجود عدة من الانتقالات الممكنة بين a, b, c و d, e, f. ولكن لا يمكن للإلكترون القفز (الانتقال) إلى جميع المستويات المنخفضة d, e, f بلا اثتثناء، وإنما هو محكوم بقفزات مسموحة وأخرى غير مسموحة، بحسب قاعدة لذلك (انظر أسفله).
ونظرا لأن مقدار الانشقاق في خطوط الطيف تتناسب تناسباً طرديا ً مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي، يستخدم علماء الفلك تـاثير زيمان في قياس المجالات المغناطيسية للشـمس والنجوم الأخرى ومقارنتها.
لرنين النووي المغناطيسي Nuclear magnetic resonance أو اختصارا (إن.إم.آر NMR) هي إحدى الظواهر الفيزيائية التي تعتمد على الخواص المغناطيسية الميكانيكية الكمومية لنواة الذرة. قياس الرنين النووي المغناطيسي يستخدم أيضا لتعيين خواص الجزيئات ودراسة بنية الجزيئات . تعتمد الطريقة على أن جميع الأنوية الذرية التي فيها عددا فرديا من البروتونات أو النيوترونات يكون لها عزم مغناطيسي ذاتي intrinsic وزخم مداري زاوي. أكثر النوى التي تستخدم في هذه التقنيات هي الهيدروجين-1 وهو أكثر نظير للهدروجين توافرا في الطبيعة إضافة إلى كربون-13. كما يمكن استخدام نظائر عناصر أخرى ولكن استخدامها أقل.
العزم المغزلي للنواة والمغناطيسية
تمتلك كل نواة ذرية عزما مغزليا حيث أنها تتكون من بروتونات ونيوترونات التي هي منبع العزم المغزلي للنواة. ويتعين العزم المغزلي للنواة بالعدد الكمومي المغزلي S. فإذا كان عدد البروتونات وكذلك عدد النيوترونات زوجيا تكون للنواة العزم المغزلي S = 0 ، أي تكون محصلة العزم المغزلي لها تساوي صفرا.
توضيح حركة اللف البدارية للعزم المغناطيسي لجسيم في مجال مغناطيسي خارجي.
في النواة تكون طاقة البروتون أو النيوترون أقل عندما يكون كل زوج منهم له عزم مغزلي موازيا لأخيه ، وهذا بعكس حالة الإلكترونات التي تتبع مبدأ استبعاد باولي حيث يكون العزم المغزلي لأحد الإلكترونات في المدار الذري في عكس اتجاه العزم المغزلي للإلكترون الثاني الموجود في نفس المدار (أي الموجود في نفس مستوى الطاقة). ويرجع ذلك إلى تكوين البروتون والنيوترون من كواركات. وبناءا على ذلك سنجد أن الحالة القاعية للديوترون (وهو نواة ذرة الديوتيريوم الذي يسمى أحيانا الهيدروجين الثقيل ، ويتكون من 1 بروتون و 1 نيوترون وكل منهما له عدد كم مغزلي قدره 1/2 ) ، ستكون الحالة القاعية للطقتهما متميزة بالعدد المغزلي 1 وليس صفرا (يتكون الديوترون من 1 بروتون و 1 نيوترون وكل منهما له عزم مغزلي 1/2). وهذا معناه أن الديوترون سوف يتأثر في وجود مجال مغناطيسي ويؤدي رنين مغناطيسي لأن العزم المغزلي يكون مقترنا بعزم مغناطيسي (أنظر أسفله). ونظرا للعزم المغناطيسي لنواة الديوتيريوم المساوي 1 فإن نواة الديوتيريوم تتصرف في مجال مغناطيسي خارجي تصرف رباعي الأقطاب Quadrupole.
ومن وجهة أخرى فإن التريتيوم (وهو ذرة هيدروجين أثقل من ذرة الهيدروجين الثقيل ويحتوي على 2 نيوترون و 1 بروتون) سيكون فيه 2 نيوترونات معكوسة العزم المغناطيسي بحيث تعطي محصلة النيوترونات للعزم المغزلي 0 ، وينفرد البروتون الذي له عزم مغزلي 1/2 في تكوين العزم المغزلي الكلي للنواة ، وتصيح نواة التريتيوم ذات عزم مغزلي يساوي 1/2 وتتصرف في المجال المغناطيسي تصرف ثنائي الإقطاب Dipole(مثل قضيب مغناطيسي له قطبان) . أي أن نواة التريتيوم تتصرف في المجال المغناطيسي الخارجي طبقا لتصرف البروتون الذي يمتلك عزم مغناطيسي يساوي 1/2.
يتميز طيف الامتصاص الرنيني المغناطيسي لنواة التريتيوم بتردد (موجات راديوية) أعلى قليلا عن تردد الهيدروجين-1 حيث أن نواة التريتيوم لها نسبة مغناطيسية دورانية أعلى قليلا من النسبة الخاصة بالهيدروجين-1 (1H). كما توجد بعض الأنوية الذرية مثل الألمونيوم-27 ولها عزم مغناطيسي S = 5/2 .
رد مع اقتباس
.gif "(103)")
)).
مواقع النشر (المفضلة)